機器視覺在植物葉片葉面積測算中的應用

成麗君,張宇波,楊文杰

(山西農業(yè)大學 信息科學與工程學院，山西 太谷 030801)

利用機器視覺(machine vision)測算葉面積就是用機器代替人眼來做測量。本次開發(fā)的機器視覺系統(tǒng)是指通過機器視覺將被攝取葉片轉換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉化成數字化信號。圖像系統(tǒng)通過對這些信號進行運算來抽取目標的特征，進而根據判別的結果計算相應特征區(qū)域的面積。

植株葉片葉面積是衡量植株生產能力大小的重要指標。研究適用于多種植株的簡單易行、準確度高、經濟實用的單葉片葉面積測算方法，可以為教學科研和實際生產活動提供更好的技術支持。

本文主要闡述如何利用機器視覺測算植物葉片葉面積，并介紹自行開發(fā)這一機器視覺測算系統(tǒng)的過程和主要實現方法。

1 halcon機器視覺軟件

德國mvtec公司的圖像處理軟件halcon，在歐洲和日本的工業(yè)界已經是公認具有最佳效能的機器視覺軟件。Halcon是在圖像處理界使用頻率最高的一種軟件，因其擁有各種需求的開發(fā)庫而著名[1]。Halcon源自學術界，有別于市面一般的商用套裝軟件，是一套圖像處理庫(image processing library)，由一千多個各自獨立的函數以及底層的資料管理核心構成。應用范圍幾乎沒有限制，涵蓋醫(yī)學、搖桿探測、監(jiān)控以及工業(yè)上的各類自動化檢測。機器視覺(machine vision)技術可以“取代人眼”，對重復工作不會疲勞，精度高且穩(wěn)定，近年來迅速發(fā)展，促進了高科技術特別是電子業(yè)產能的大幅提升。

2 葉面積測定的一般方法

經調查，目前在使用中的葉面積測算方法主要有公式法和測定儀2種。公式法是將葉片近似為規(guī)則幾何圖形測算，通用的葉片面積計算公式s=2ab/3，a為葉寬，b為葉長。使用葉面積測定儀，設備費用比較高。一臺葉面積儀-YMJ-B在國內的價格在18 000元左右。使用機器視覺在個人計算機上搭建測算系統(tǒng)則可提供高速、高精度、經濟實用的測算方法。在系統(tǒng)使用的掃描儀精度下，葉片面積的測算可以精確到1 mm2。

3 基于halcon的植物葉片葉面積測算

基于halcon與vb2008平臺，使用掃描儀和個人計算機，通過閾值分割與區(qū)域特征提取進行葉面積測算。

3.1 圖像獲取設備

搭建機器視覺系統(tǒng)，攝像機成像平面必須平行于被測算的葉片平面，如果攝像機不能滿足這一要求，或者獲取的圖像與實際有較大的徑向畸變，攝像機就必須標定，圖像也必須調整。光源是影響機器視覺系統(tǒng)輸入的重要因素,因為它直接影響輸入數據以及至少30%的應用效果[2]。一個穩(wěn)定而可靠的機器系統(tǒng)不能僅僅局限于在試驗室的嚴格條件下才能應用,而應該在真正應用環(huán)境中都能夠良好運轉。一般的，使用封閉而穩(wěn)定的圖像捕獲環(huán)境，或者采用復雜的誤差規(guī)避算法。

葉面積的測算要求被測算的葉片要平整展開，若使用壓片夾一類的設備平整葉片會在圖像獲取中遮擋葉片從而影響機器視覺的測算結果。綜合考慮各種因素，選擇使用平面式掃描儀。平面式掃描儀在掃描時，使用設備的玻璃板和壓蓋板就可以將葉片平整并且提供相對穩(wěn)定的圖像捕獲環(huán)境。

3.2 圖像獲取

為了獲得清晰可見的物體的圖像，圖像采集過程中的照明條件，必須仔細考慮。首先確保圖像獲取設備與計算機良好連接以及圖像獲取設備的空閑可用狀態(tài)。在本系統(tǒng)的搭建中，只使用一臺平面式掃描儀，通過usb連接到計算機，即一臺攝像機連接到一塊電路板上，通過一個單一的圖像采集卡，如圖1所示。此配置典型的情況就是USB2.0，IEEE1394或千兆以太網連接的數碼圖像采集設備。

圖1 系統(tǒng)中單相機、單采集卡鏈接示意圖Fig.1 The interlinkage between single-camera and single acquisition card in the system

本次設計中使用市場上常見的平面掃描儀設備——Canon mp198 。設置掃描儀驅動程序為灰度掃描，分辨率為300 dpi。通過read_image讀取掃描儀采集到的葉片圖像，如圖2所示。

圖2 采集的葉片圖像Fig.2 Image of the acquired leaf

4 圖像處理

機器視覺旨在使用計算機處理能力完成類似于人眼對圖像的感知或者精確的“目測”。所以機器視覺需要運用圖像分析、處理以及圖像理解方法3個層次的多種技術手段，它包括圖像增強、數據編碼和傳輸、平滑、邊緣銳化、分割、特征抽取、圖像識別與理解等內容。[3]

彩色CCD系統(tǒng)一般是以RGB顏色模型為標準模型,通過每個像素的紅(R)、綠(G)、藍(B)感光器件的感光量產生24位色彩空間。經過彩色圖像采集卡的采樣、量化，得到24位真彩圖像。在對圖像進行處理和分析時，為減少數據處理量、加快處理速度，一般先要把彩色圖像作灰度變換，轉換為灰度圖像[4]。

為檢測葉片的輪廓，在掃描儀漫反射、明視場照明的環(huán)境中采集圖像，被測葉片為亮，周圍區(qū)域為白色，使得分割處理變得簡單化。使用threshold算子，給出適當的閾值范圍就能得到葉片圖像所在的圖像區(qū)域region。由于葉片區(qū)域為暗，并考慮不同葉片在圖像中亮度的不同，故取閾值為0～128，如圖3所示。對于所得到的葉片圖像區(qū)域，使用area_center和orientation_region算子便可算出其區(qū)域面積，如表1所示。

圖3 處理后的圖Fig.3 Processed image

名稱Name值ValueWidth2480Height3507Areal548 268.0Rowl1691.85Column11338.01

5 實現

使用halcon(hdevelop)編寫圖像采集與處理過程，并導出成vb源代碼文件(.vb)和動態(tài)鏈接庫文件(.dll)。使用microsoft visual basic 2008，新建空項目。添加生成的vb源代碼文件(.vb)到項目，再引用對應的動態(tài)鏈接庫文件(.dll)。在vb環(huán)境中，編寫windows窗體程序，涉及機器視覺計算的時候可調用vb源代碼文件(.vb)和動態(tài)鏈接庫文件(.dll)中的處理過程以得到結果。同時，Visual Basic2008還可以控制掃描儀驅動程序以便完成設備獲取圖像的動作。

窗體“瀏覽”按鈕主要代碼：

…

If (OpenFileDialog1.ShowDialog() = Windows.Forms.DialogResult.OK) Then

PictureBox1.ImageLocation = OpenFileDialog1.FileName

End If

…

窗體“計算”按鈕主要代碼：

…

Dim a(1) As String

a(0) = PictureBox1.ImageLocation

Call Main.Main(a)

…

窗體可視化界面如圖4所示。

圖4 窗口可視化界面Fig.4 Visual window interface

操作步驟：

(1) 單擊“瀏覽”按鈕，選擇掃描到的待測葉片圖像文件，如圖5所示。

(2)單擊“計算”按鈕，查看結果，如表2所示。

6 結論

利用掃描儀和個人計算機搭建的快速葉面積測定系統(tǒng)，使用了機器視覺這一計算機技術發(fā)展的新技術。從機器視覺的原理出發(fā)，以圖像處理算法為基礎，使用Visual Basic開發(fā)環(huán)境將圖像處理和執(zhí)行算子封裝在一起，通過實踐對比，可以得出：一方面，在保證較高精度的同時大大降低了測定工作中人工的繁重工作；另一方面，在符合一定實際需求的前提下，避免了采用該類商業(yè)設備的高昂費用，降低成本。

圖5 瀏覽操作界面圖Fig.5 Browsing interface

編號Number待測葉片The leafunder test面積Squane/mm2方格紙法Graticulation method公式法Formula method機器視覺方法Machine vision method0139904068400402381038213813036500不適用6510042480不適用250505181018331824

參 考 文 獻

[1]潘武.基于機器視覺的工件的識別和定位[D].北京化工大學，2012.

[2]段德山.工件非接觸檢測中機器視覺的檢測與應用[D].北京郵電大學碩士研究生學位論文，2007.

[3]關勝曉.機器視覺及其應用發(fā)展[J].自動化博覽，2005(3):88-92.

[4]凌云.基于機器視覺的谷物外觀品質檢測技術研究[D].中國農業(yè)大學博士學位論文，2004.